檸檬酸浸種引發(fā)對(duì)低磷脅迫下番茄幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響*

靳 琇, 陳浩婷, 石 玉, 白龍強(qiáng), 侯雷平, 張 毅

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院/山西省設(shè)施蔬菜提質(zhì)增效協(xié)同創(chuàng)新中心 太谷 030801)

磷(P)是植物生長(zhǎng)所必需的大量元素之一[1-2]。雖然土壤中磷含量很高, 但其往往難以移動(dòng), 植物可以吸收利用的有效磷含量低, 作物易表現(xiàn)為“遺傳性磷缺乏”現(xiàn)象[3-4]。過(guò)量施用磷肥可以緩解植物缺磷現(xiàn)象, 但會(huì)加劇磷礦資源的短缺, 還易引發(fā)地下水富營(yíng)養(yǎng)化等農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[5]。因此, 開(kāi)展作物磷高效利用機(jī)理及調(diào)控機(jī)制研究對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

檸檬酸作為一種重要的低分子量有機(jī)酸, 參與植物的許多生理代謝過(guò)程, 對(duì)植物耐寒性、耐旱性、抗重金屬脅迫、抗養(yǎng)分脅迫能力等具有重要作用[6-8]。磷供應(yīng)不足通常會(huì)導(dǎo)致作物根系分泌大量的低分子量有機(jī)酸(如草酸、檸檬酸等)被用來(lái)促進(jìn)植物根系對(duì)磷的吸收, 這是一種植物遭受逆境脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)機(jī)制[9-11]。據(jù)報(bào)道, 低磷脅迫顯著促進(jìn)了玉米(Zea mays)、水稻(Oryza sativa)等植物根系檸檬酸的分泌[12-13]。在白羽扇豆(Lupinus albus)和大豆(Glycine max)中, 低磷脅迫同時(shí)促進(jìn)了檸檬酸和蘋(píng)果酸的分泌[14-15]; 在大麥(Hordeum vulgare)中難溶性無(wú)機(jī)磷活化能力強(qiáng)的基因型分泌的檸檬酸較多, 表明檸檬酸的分泌是活化以及利用難溶性無(wú)機(jī)磷的重要機(jī)制[16]。植物根系主動(dòng)或被動(dòng)地分泌低分子量有機(jī)酸可以顯著促進(jìn)土壤磷素的釋放, 其中檸檬酸活化磷素的效果最好, 這一過(guò)程是主動(dòng)分泌的過(guò)程, 消耗能量, 會(huì)減少植株的生物量, 所以研究外源添加檸檬酸對(duì)提高磷肥利用率,減少磷肥施用量具有重要意義[17-18]。宋超等[19]的研究表明, 低分子量檸檬酸浸種處理對(duì)蕎麥(Fagopyrum esculentum)種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽速率以及胚軸長(zhǎng)度都有顯著的促進(jìn)作用, 進(jìn)而達(dá)到促進(jìn)幼苗的根系生長(zhǎng)效果。外源施用有機(jī)酸能夠提高養(yǎng)分脅迫下土壤中大豆和白羽扇豆的根系活力,增加根系的總表面積和總長(zhǎng)度, 從而增強(qiáng)根系吸收和利用養(yǎng)分的能力[14-15]。王志穎[20]的研究表明, 加入外源檸檬酸之后, 與單鋁處理相比根系中檸檬酸的分泌顯著增加, 從而減輕植物的毒害。外源檸檬酸不僅能夠提高土壤中有效磷含量, 而且能夠通過(guò)根系形態(tài)的改善截獲更多的養(yǎng)分, 并通過(guò)根系生理功能的改變?cè)鰪?qiáng)養(yǎng)分吸收, 促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

番茄(Solanum lycopersicum)是我國(guó)栽培最廣泛的蔬菜之一。在低磷條件下, 番茄的主要特征表現(xiàn)是植株矮小, 葉面積小, 莖、葉呈現(xiàn)紫紅色; 短期缺磷脅迫下葉背紫紅色, 葉片小并伴有褐色斑點(diǎn), 長(zhǎng)期缺磷會(huì)導(dǎo)致葉脈呈深紫色, 老葉變黃、開(kāi)花結(jié)果期延遲[3,21]。經(jīng)過(guò)浸種引發(fā)的種子可以提高萌發(fā)速率、幼苗整齊度、減少生產(chǎn)成本, 還可以提高植株苗期抗逆性[22-23]。因此, 本試驗(yàn)采用檸檬酸浸種引發(fā)的方法, 以‘中雜9號(hào)’番茄為試材, 篩選檸檬酸浸種引發(fā)的適宜濃度, 種子萌發(fā)后采用砂培法, 設(shè)置不同供磷水平, 研究檸檬酸浸種引發(fā)對(duì)低磷脅迫下番茄幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響, 以探討利用有機(jī)酸緩解番茄幼苗低磷脅迫的可行性, 旨在為低磷條件下檸檬酸對(duì)番茄在抗逆高效栽培中的應(yīng)用提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2018年9月—2019年9月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝站進(jìn)行。試驗(yàn)材料為‘中雜9號(hào)’番茄品種(從中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所購(gòu)入)。

1.1.1 種子萌發(fā)試驗(yàn)

選取籽粒飽滿、大小均勻、無(wú)破損的番茄種子, 洗凈后置于55 ℃水浴鍋中溫湯浸種15 min殺死表面病菌, 使用蒸餾水(對(duì)照)和不同濃度檸檬酸溶 液(2.5 mmol·L-1、5 mmol·L-1、7.5 mmol·L-1、10 mmol·L-1、12.5 mmol·L-1、15 mmol·L-1)于28 ℃黑暗環(huán)境下浸種8 h。在直徑9 cm的培養(yǎng)皿中鋪兩層濾紙, 將番茄種子整齊規(guī)律地?cái)[放在濾紙上(保證每個(gè)種子都有充足的空間), 每個(gè)處理3次重復(fù), 每個(gè)重復(fù)50粒種子, 在溫度28 ℃、濕度70%的恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽。每天定時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)溶液3 mL以確保培養(yǎng)環(huán)境的濕潤(rùn), 8 d結(jié)束發(fā)芽試驗(yàn)。用30%HNO3將每個(gè)處理的pH調(diào)至6.0±0.2。

1.1.2 苗期試驗(yàn)

根據(jù)不同濃度檸檬酸溶液浸種對(duì)番茄種子萌發(fā)試驗(yàn)的結(jié)果, 選取檸檬酸濃度為7.5 mmol·L-1。將發(fā)芽種子播于裝有石英砂的育苗盤(pán)中, 每盤(pán)播50(5×10)粒發(fā)芽種子。根據(jù)日本山崎番茄配方(正常磷濃度為0.66 mmol·L-1), 選擇4個(gè)供磷水平(正常P濃度, 0.66 mmol·L-1; 無(wú)磷, 0 mmol·L-1; 輕度缺磷,0.44 mmol·L-1; 重度缺磷, 0.22 mmol·L-1), 從幼苗生長(zhǎng)至第1真葉起開(kāi)始進(jìn)行不同處理, 定時(shí)定量澆灌營(yíng)養(yǎng)液(pH調(diào)至6.0±0.2)。

本試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)處理, 分別為: 蒸餾水浸種+正常P 0.66 mmol·L-1(CK)、檸檬酸浸種+P 0.66 mmol·L-1(CK+A)、蒸餾水浸種+P 0 mmol·L-1(P0)、檸檬酸浸種+P 0 mmol·L-1(P0+A)、蒸餾水浸種+P 0.22 mmol·L-1(P1)、檸檬酸浸種+P 0.22 mmol·L-1(P1+A)、蒸餾水浸種+P 0.44 mmol·L-1(P2)、檸檬酸浸種+P 0.44 mmol·L-1(P2+A)。在P0處理幼苗老葉葉背出現(xiàn)發(fā)紫(35 d)時(shí)取樣, 進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 種子萌發(fā)指標(biāo)

種子萌發(fā)試驗(yàn)中, 當(dāng)胚根突破種皮2 mm時(shí)計(jì)算為萌發(fā)。每6 h統(tǒng)計(jì)1次發(fā)芽數(shù), 第3 d計(jì)算發(fā)芽勢(shì), 第8 d終止番茄種子萌發(fā)試驗(yàn), 計(jì)算番茄種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽速率。

1.2.2 生長(zhǎng)指標(biāo)

苗期試驗(yàn)35 d時(shí), 測(cè)定番茄幼苗的株高、莖粗、植株地上部及地下部干鮮重; 根系活力采用TTC還原法進(jìn)行測(cè)定[24]; 根系形態(tài)指標(biāo)采用根系掃描儀(MRS-9600TFU2L, 上海)測(cè)定; 葉綠素含量采用80%丙酮浸提法測(cè)定[24]。

1.2.3 生理指標(biāo)

苗期試驗(yàn)35 d時(shí), 取樣測(cè)定各生理指標(biāo)。丙二醛(MDA)含量采用2-硫代巴比妥酸法測(cè)定[24]; 酶液提取參考Gong等[25]的方法,、H2O2含量, SOD、POD活性的測(cè)定參考石玉[26]的方法, CAT活性的測(cè)定參考Noctor等[27]的方法, 1 min內(nèi)轉(zhuǎn)化1 μmol底物所需的酶量為1個(gè)活力單位(U)。甜菜堿含量參照刑靜[28]的方法測(cè)定; 有機(jī)酸含量采用酸堿滴定法測(cè)定[24]; 可溶性糖含量采用硫酸-苯酚法測(cè)定[24]; 可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定[24]; 總游離氨基酸含量采用茚三酮法測(cè)定[24]; 滲透勢(shì)使用滲透儀(Vapor Pressure Osmometer 5520, USA)進(jìn)行測(cè)定[29]。磷含量采用H2SO4-H2O2消化法消煮, 消化液用鉬銻抗比色法測(cè)定[30]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析, 用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較(P＜0.05),用Microsoft Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)作圖, 圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度檸檬酸浸種對(duì)番茄種子萌發(fā)指標(biāo)的影響

由圖1可以看出, 與蒸餾水浸種相比, 不同濃度的檸檬酸浸種均提高了種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)。其中, 7.5 mmol·L-1檸檬酸浸種處理效果最為顯著, 該濃度浸種引發(fā)下發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)比蒸餾水浸種下顯著提高32.97%和102.25%, 發(fā)芽勢(shì)為對(duì)照的11倍。各處理的發(fā)芽速率與對(duì)照相比差異不顯著。說(shuō)明對(duì)于番茄種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù), 檸檬酸浸種引發(fā)濃度以7.5 mmol·L-1最佳。

2.2 檸檬酸浸種引發(fā)對(duì)低磷下番茄幼苗生長(zhǎng)的影響

由表1可知, 與輕度缺磷(P2)處理相比, 無(wú)磷處理(P0)顯著降低了地上部的鮮重(P＜0.05), 降幅為83.35%, 但地上部干重?zé)o顯著變化。無(wú)磷、重度缺磷(P1)、輕度缺磷處理下番茄幼苗地上部干重和鮮重與對(duì)照相比顯著降低(P＜0.05)。檸檬酸浸種處理下植株地上部、地下部干鮮重均有所上升。其中, 重度缺磷下, 檸檬酸浸種后地上部鮮重和地上部干重分別顯著增加18.39%和63.64% (P＜0.05); 輕度缺磷下,檸檬酸浸種后地上部鮮重和地上部干重分別顯著增加19.93%和66.67% (P＜0.05)。

表1 檸檬酸浸種引發(fā)對(duì)低磷脅迫下番茄幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響Table 1 Effects of seeds priming with citric acid on morphological indexes of tomato seedlings under low phosphorus stress

正常供磷水平(CK)、重度缺磷(P1)、輕度缺磷(P2)下, 檸檬酸浸種顯著增加了番茄幼苗的株高和莖粗(P＜0.05)。重度缺磷水平下檸檬酸浸種(P1+A)的番茄幼苗株高增長(zhǎng)最顯著, 增幅為36.57%; 輕度缺磷水平下檸檬酸浸種后(P2+A)番茄幼苗莖粗增長(zhǎng)最顯著,增幅為21.69%。

與對(duì)照相比, 無(wú)磷(P0)、重度缺磷(P1)、輕度缺磷(P2)處理下番茄幼苗的根長(zhǎng)、根系表面積均有不同程度顯著降低(P＜0.05)。P0、P2處理下, 檸檬酸浸種后植株的根長(zhǎng)分別顯著提高15.73%和83.42% (P＜0.05), 根系表面積有所增加但未達(dá)顯著水平。重度缺磷處理下檸檬酸浸種后(P1+A)植株根長(zhǎng)和根系表面積與P1顯著提高12.08%和35.45% (P＜0.05)。

由圖2可以看出, 與對(duì)照相比, 無(wú)磷(P0)、缺磷(P1、P2)處理均顯著降低了番茄幼苗的根系活力(P＜0.05), 經(jīng)過(guò)檸檬酸浸種引發(fā)后根系活力顯著增強(qiáng)(P＜0.05)。其中, 檸檬酸浸種下無(wú)磷(P0+A)處理的植株根系活力增加最顯著, 是P0的2.14倍; 檸檬酸浸種下重度缺磷(P1+A)處理與P1相比, 增幅達(dá)52.16%; 檸檬酸浸種下輕度缺磷(P2+A)處理與P2相比, 增幅達(dá)19.02%。

由表2可知, 與對(duì)照相比, 缺磷(P1、P2)脅迫下番茄的葉綠素a (Chl a)、總?cè)~綠素(Chl a+b)含量顯著下降(P＜0.05), 葉綠素b (Chl b)、類胡蘿卜素(Car.)P1處理下顯著下降(P＜0.05), P2處理下有所下降但差異不顯著。與無(wú)磷、缺磷脅迫相比, 檸檬酸浸種后植株葉片的葉綠素含量均顯著提高(P＜0.05), 其中檸檬酸浸種重度缺磷(P1+A)處理下Chl a、Chl b、Car.和Chl a+b分別顯著增加10.79%、13.30%、29.20%、11.40%; 檸檬酸浸種輕度缺磷(P2+A)處理下Chl a顯著增加11.53%; 檸檬酸浸種無(wú)磷(P0+A)處理下Chl a、Chl b、Car.和Chl a+b分別顯著增加16.26%、12.00%、194.94%和15.47%。

表2 檸檬酸浸種引發(fā)對(duì)低磷脅迫下番茄幼苗葉綠素的影響Table 2 Effect of seeds priming with citric acid on chlorophyll contents in tomato seedlings under low phosphorus stress

2.3 檸檬酸浸種引發(fā)對(duì)低磷下番茄幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響

由圖3A可知, 與對(duì)照相比, 無(wú)磷、低磷處理下番茄幼苗中丙二醛(MDA)含量都顯著升高。不同供磷水平下, 檸檬酸浸種使無(wú)磷(P0+A)、重度缺磷(P1+A)、輕度缺磷(P2+A)處理較蒸餾水浸種處理下葉片MDA含量分別顯著降低15.95%、12.94%和10.70% (P＜0.05), 根系MDA含量分別顯著降低39.55%、23.26%和6.82% (P＜0.05)。

如圖3B所示, 與對(duì)照相比, 無(wú)磷、重度缺磷處理番茄幼苗葉片含量顯著增加(P＜0.05), 無(wú)磷、重度缺磷和輕度缺磷處理番茄根系含量顯著增加(P＜0.05)。檸檬酸浸種下無(wú)磷處理(P0+A)相比無(wú)磷處理番茄幼苗葉片含量顯著降低 27.16%(P＜0.05), 輕度缺磷處理(P2+A)處理根系含量顯著降低51.48%(P＜0.05)。

如圖3C所示, 與對(duì)照相比, 無(wú)磷、重度缺磷、輕度缺磷脅迫下番茄幼苗葉片H2O2含量顯著增加(P＜0.05), 無(wú)磷處理下根系 H2O2含量顯著增加(P＜0.05)。檸檬酸浸種后無(wú)磷處理(P0+A)比無(wú)磷處理番茄幼苗葉片和根系H2O2含量分別顯著降低35.50%和26.24% (P＜0.05), 輕度缺磷處理(P2+A)葉片H2O2含量顯著降低35.87% (P＜0.05)。

如表3所示, 蒸餾水浸種下, 對(duì)照中番茄幼苗葉片、根系中的SOD、POD、CAT活性最低, 隨著供磷水平的降低, 酶活性顯著升高(P＜0.05)。重度缺磷和無(wú)磷處理, 檸檬酸浸種下番茄幼苗葉片、根系中的SOD、POD、CAT活性均顯著下降; 輕度缺磷處理下, 檸檬酸浸種使番茄幼苗葉片和根系中的SOD活性有所下降但不顯著(P＞0.05), CAT、POD活性均顯著升高(P＜0.05)。與蒸餾水浸種相比, 無(wú)磷處理下, 檸檬酸浸種顯著降低了番茄幼苗葉片和根系的SOD活性, 降幅分別為39.93%和13.06%(P＜0.05); 重度缺磷下, 檸檬酸浸種顯著降低了番茄幼苗葉片和根系的SOD酶活性, 降幅分別為16.36%和18.44% (P＜0.05)。無(wú)磷處理下, 與蒸餾水浸種相比, 檸檬酸浸種下番茄幼苗葉片和根系的POD分別顯著降低24.77%和59.32% (P＜0.05)。與蒸餾水浸種相比, 無(wú)磷處理下, 檸檬酸浸種的番茄幼苗葉片、根系CAT活性顯著降低39.06%和66.30%(P＜0.05)。

2.4 檸檬酸浸種引發(fā)對(duì)低磷下番茄幼苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響

如圖4所示, 與對(duì)照相比, 無(wú)磷、缺磷脅迫下番茄幼苗葉片和根系的滲透勢(shì)顯著降低(P＜0.05)。與單獨(dú)無(wú)磷、重度缺磷、輕度缺磷處理相比, 檸檬酸浸種引發(fā)下均顯著提高了葉片的滲透勢(shì), 增幅分別為36.61%、7.78%和7.69% (P＜0.05)。無(wú)磷脅迫下番茄幼苗根系有機(jī)酸含量有所增加, 但未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。檸檬酸浸種后, 重度缺磷處理(P1+A)番茄根系有機(jī)酸含量顯著降低70.37% (P＜0.05), 輕度缺磷處理(P2+A)有機(jī)酸含量顯著升高 54.30%(P＜0.05)。與對(duì)照相比, 無(wú)磷、缺磷條件下番茄葉片和根系可溶性蛋白含量顯著提高(P＜0.05)。檸檬酸浸種后, 無(wú)磷和重度缺磷處理葉片可溶性蛋白含量分別顯著降低4.90%、5.75% (P＜0.05)。輕度缺磷下, 檸檬酸浸種顯著提高葉片可溶性蛋白含量, 增幅為8.79% (P＜0.05), 而根系可溶性蛋白含量顯著降低6.86% (P＜0.05)。與對(duì)照相比, 無(wú)磷、缺磷脅迫顯著提高了番茄幼苗葉片和根系可溶性糖含量(P＜0.05)。無(wú)磷處理下, 檸檬酸浸種后番茄幼苗的葉片、根系可溶糖含量顯著提高15.72%和18.81% (P＜0.05); 重度缺磷、輕度缺磷處理, 檸檬酸浸種下番茄幼苗的葉片可溶性糖含量顯著提高14.16%和19.13%(P＜0.05), 根系可溶性糖含量顯著提高33.27%和19.21% (P＜0.05)。與對(duì)照相比, 無(wú)磷、低磷條件下番茄根系游離氨基酸含量顯著升高(P＜0.05)。無(wú)磷處理下檸檬酸浸種后番茄葉片和根系的游離氨基酸含量分別顯著升高51.62%和34.09% (P＜0.05), 重度缺磷處理下分別顯著提高14.44%和19.89% (P＜0.05);輕度缺磷處理下, 葉片游離氨基酸含量變化不顯著(P＞0.05), 根系顯著增加20.25% (P＜0.05)。

無(wú)磷、低磷脅迫使得番茄幼苗葉片和根系甜菜堿含量均顯著增加(P＜0.05)。同一供磷水平下, 與蒸餾水浸種相比, 檸檬酸浸種下番茄幼苗葉片和根系甜菜堿含量均顯著降低, 其中無(wú)磷(P0+A)處理葉片中含量下降最顯著, 降幅為30.37% (P＜0.05)。

2.5 檸檬酸浸種引發(fā)對(duì)低磷下番茄幼苗磷含量的影響

由圖5可以看出, 無(wú)論在脅迫或非脅迫條件下,相同供磷水平間比較, 檸檬酸浸種使番茄根系磷含量均顯著增加(P＜0.05)。檸檬酸浸種下, 重度缺磷脅迫(P1+A)和輕度缺磷脅迫(P2+A)下, 根系磷含量顯著增加了11.78%和13.03% (P＜0.05)。

3 討論與結(jié)論

許多研究表明, 檸檬酸能通過(guò)配位基交換反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)、酸溶解作用等機(jī)制顯著增加磷的溶解性, 促進(jìn)植物對(duì)磷的吸收及運(yùn)輸, 最終提高植物對(duì)磷素缺乏和環(huán)境的耐受性[8,31]。外源檸檬酸可以提高磷的有效性, 其作用方式有以下3個(gè)方面: 檸檬酸直接刺激作物根系的生長(zhǎng), 增加側(cè)根數(shù)及土壤根系的覆蓋深度, 增加磷素的吸收; 檸檬酸可以改變土壤中微生物群落或影響作物根系分泌物, 主要是酸性磷酸酶的活性, 活化土壤中難溶性磷[32]; 檸檬酸根競(jìng)爭(zhēng)吸附可以使活性中心對(duì)磷素吸附能力降低,減少土壤固相對(duì)磷的吸附量[33]。因此在盆栽或大田試驗(yàn)中研究檸檬酸提高作物適應(yīng)低磷脅迫的機(jī)制時(shí),難以區(qū)分是檸檬酸對(duì)植物的直接刺激, 還是檸檬酸作用于土壤微生態(tài)或磷素從而間接緩解植物脅迫的效應(yīng)。針對(duì)這一可能出現(xiàn)的問(wèn)題, 本試驗(yàn)采用檸檬酸浸種的方法, 在排除土壤、基質(zhì)、微生物的干擾條件下, 采用砂培法, 以‘中雜9號(hào)’番茄為試材, 設(shè)置不同供磷水平, 研究檸檬酸浸種對(duì)低磷脅迫下對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響, 以探討利用有機(jī)酸緩解番茄幼苗低磷脅迫的可行性。

檸檬酸對(duì)植物生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用, 可增強(qiáng)對(duì)元素的吸收利用能力, 提高作物的抗性等功能[6]。且植物種子在萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)逆境環(huán)境十分敏感,其生長(zhǎng)和生理特性極易受到周圍環(huán)境的影響[34]。莊正等[35]的研究發(fā)現(xiàn), 低濃度外源低分子有機(jī)酸具有促進(jìn)杉木(Cunninghamia lanceolata)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的作用, 且對(duì)杉木幼苗無(wú)明顯傷害; 而高濃度外源低分子有機(jī)酸對(duì)杉木幼苗傷害嚴(yán)重; 黃玉婷等[36]在對(duì)黑麥草(Lolium perenne)的研究中也有類似結(jié)果。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 檸檬酸浸種引發(fā)對(duì)番茄種子的萌發(fā)特性同樣表現(xiàn)為低促高抑的效應(yīng)(圖1), 在種子催芽過(guò)程中, 檸檬酸處理下的培養(yǎng)皿后期出現(xiàn)發(fā)霉情況, 且濃度越高發(fā)霉越嚴(yán)重, 這是由于檸檬酸提供了充足碳源更適合霉菌的生長(zhǎng), 低濃度有機(jī)酸促進(jìn)種子萌發(fā)的原因是增強(qiáng)了種子的抗氧化能力,高濃度下種子的抗氧化系統(tǒng)遭到破壞, 具體作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

由于土壤特定的理化性質(zhì), 施入土壤中的磷肥有75%～90%被固定而不能被植物所利用[1,20]。當(dāng)磷素供給量處于低水平時(shí), 植株體內(nèi)碳水化合物的合成將會(huì)受到影響, 并且細(xì)胞分裂受到阻礙, 從而使得作物生長(zhǎng)速率下降[3]。有效磷缺乏已經(jīng)成為限制農(nóng)作物生長(zhǎng), 甚至農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素, 植物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期環(huán)境影響, 形成了對(duì)低磷環(huán)境的一系列響應(yīng)機(jī)制, 以確保在低磷環(huán)境中的正常生長(zhǎng)[37]。Wang等[38]發(fā)現(xiàn), 低磷抑制油菜(Brassica napus)、馬鈴薯(Solanum tuberosum)和大麥根、莖的生長(zhǎng), 使根莖比下降, 生長(zhǎng)受到嚴(yán)重阻礙, 甚至在處理前期出現(xiàn)葉片脫落的情況。本試驗(yàn)結(jié)果顯示, 在低磷條件下番茄幼苗地上部干鮮重、地下部鮮重、株高、莖粗以及總根長(zhǎng)、總根系表面積均顯著降低(表1), 說(shuō)明番茄幼苗生長(zhǎng)均受到不同程度的抑制。與輕度缺磷處理相比, 無(wú)磷處理顯著降低了地上部的鮮重, 但增加了地上部的干重, 可能由于植物鮮重與含水量關(guān)系緊密, 而無(wú)磷造成了植物葉片萎蔫失水[39]。不同供磷處理下, 番茄幼苗根長(zhǎng)、根系表面積在檸檬酸浸種處理后顯著高于蒸餾水浸種; 無(wú)磷條件下,P0+A處理的植株根系活力增加最顯著, 是P0處理的2.14倍, 這是由于檸檬酸作為種子引發(fā)液體處理幼苗時(shí), 根系最先被影響且受影響程度比其他部分更加顯著的原因[40]。作物根系有機(jī)酸的積累和釋放是植物抵御低磷環(huán)境的重要生理機(jī)制[41]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示, 低磷脅迫下的番茄幼苗根系中的有機(jī)酸含量明顯高于對(duì)照, 說(shuō)明低磷脅迫下會(huì)促進(jìn)根系釋放有機(jī)酸, 以提高植株的磷素吸收; 并且檸檬酸浸種處理后顯著提高了番茄幼苗根系中的有機(jī)酸含量及磷含量, 這是由于檸檬酸刺激番茄幼苗根系生長(zhǎng),影響?zhàn)B分的吸收運(yùn)輸, 使其在低磷脅迫下能夠維持正常生長(zhǎng)[42]。這與龔芳芳等[43]在刺梨(Rosa roxbunghii)上的研究結(jié)果不同, 外源檸檬酸的施入明顯降低了刺梨實(shí)生苗根系土壤中檸檬酸和草酸含量,增加了蘋(píng)果酸、酒石酸、乙酸和琥珀酸的含量, 可能與檸檬酸和草酸容易與土壤中的金屬離子形成沉淀有關(guān)。葉綠素作為植物光合作用的重要物質(zhì)基礎(chǔ),含量可以作為衡量植物抗逆性的生理指標(biāo)之一[44]。與低磷脅迫相比, 檸檬酸浸種處理后的番茄幼苗生物量、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素總含量均有不同程度的上升, 李遲園[45]對(duì)玉米和馬樂(lè)元等[41]對(duì)小冠花(Coronilla varia)的研究也取得了類似的結(jié)果, 這是因?yàn)闄幟仕峥商岣叩土酌{迫下番茄幼苗根系中的磷含量, 從而提高葉綠素含量, 同時(shí)檸檬酸可保護(hù)非生物脅迫下的葉綠體結(jié)構(gòu), 延緩葉綠素的降解, 維持葉片中的葉綠素含量[44,46]。

植物在脅迫條件下快速積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì), 以維持細(xì)胞滲透勢(shì)的平衡, 起到保護(hù)細(xì)胞適應(yīng)逆境的作用[51]。可溶性蛋白, 可溶性糖和甜菜堿是作物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì), 可以增強(qiáng)細(xì)胞的持水能力、維持許多代謝關(guān)鍵酶原有的機(jī)能活性, 進(jìn)而保持細(xì)胞膜在脅迫下的完整性, 保證植株能夠正常生長(zhǎng)[31]。黃玉婷等[36]的研究表明, 鋁脅迫下黑麥草根系和莖葉中可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著升高, 是植株應(yīng)對(duì)逆境環(huán)境的機(jī)制之一。本研究結(jié)果顯示: 低磷脅迫下, 番茄幼苗葉片和根系中的可溶性蛋白、可溶性糖、游離氨基酸及甜菜堿含量增加, 表明低磷脅迫可以促進(jìn)番茄幼苗體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成以應(yīng)對(duì)脅迫環(huán)境。Yao等[52]對(duì)馬尾松(Pinus massoniana)的研究表明, 外源檸檬酸顯著提高了馬尾松中可溶性蛋白及可溶性糖的含量, 增強(qiáng)了馬尾松對(duì)滲透平衡的調(diào)節(jié)能力。本研究結(jié)果顯示, 在相同供磷水平處理下, 檸檬酸浸種與蒸餾水浸種相比, 番茄幼苗葉片和根系中的可溶性糖顯著增加, 可能是由于檸檬酸浸種緩解低磷脅迫后植物需要大量能量, 所以作為能源物質(zhì)的可溶性糖被大量產(chǎn)生以恢復(fù)植物正常生長(zhǎng)[52]。鄢盛堯等[53]在油菜上研究發(fā)現(xiàn), 與對(duì)照相比, 加入外源檸檬酸后, 油菜根系釋放的總游離氨基酸含量升高, 但脯氨酸含量顯著下降, 這說(shuō)明各種氨基酸對(duì)逆境脅迫的響應(yīng)并不相同[54]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示, 與對(duì)照相比, 低磷脅迫下, 番茄幼苗葉片和根系中游離氨基酸含量無(wú)明顯變化, 可溶性蛋白、甜菜堿含量顯著升高, 這表明番茄幼苗可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量以減輕低磷脅迫對(duì)植物產(chǎn)生的傷害, 在加入外源檸檬酸之后, 番茄幼苗葉片和根系中的游離氨基酸含量升高, 可溶性蛋白、甜菜堿含量均降低, 與滲透勢(shì)的變化趨勢(shì)一致,這說(shuō)明外源檸檬酸的加入可以協(xié)助番茄緩解低磷脅迫產(chǎn)生的不利影響, 可溶性蛋白和甜菜堿含量降低的原因可能是因?yàn)闄幟仕峤N引發(fā)緩解了低磷脅迫對(duì)番茄幼苗的抑制作用, 使植株細(xì)胞滲透物質(zhì)含量恢復(fù)正常[55], 甜菜堿和可溶性蛋白可能是調(diào)控檸檬酸緩解番茄幼苗低磷脅迫的主導(dǎo)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。

綜上所述, 適宜濃度的檸檬酸浸種提高了番茄種子的萌發(fā)率, 而其緩解番茄缺磷癥狀的原因可能在于檸檬酸浸種能引發(fā)根系有機(jī)酸的積累和分泌,使與陽(yáng)離子結(jié)合的磷酸鹽活化, 促進(jìn)了根系對(duì)磷的吸收; 同時(shí), 檸檬酸浸種引發(fā)增強(qiáng)了番茄植株的抗氧化保護(hù)和滲透調(diào)節(jié)能力, 緩解了低磷脅迫對(duì)植株的抑制效應(yīng)。